淺層人工地震和地質雷達在城市活動斷層探測中的聯合應用-以鶴壁市湯東斷裂為例1

彭 白 蘇 鵬 魯人齊 蔡明剛 郝重濤 劉冠伸

1）中國地震局地質研究所, 地震動力學國家重點實驗室, 北京 100029

2）山西太原大陸裂谷動力學國家野外科學研究站, 太原 030025

引言

城市地區人口和經濟高度集中，地震是對城市危害最嚴重的突發性自然災害之一，會造成巨大的生命財產損失，并引發一系列嚴峻的社會安全問題。活動斷層是地震的載體，由于人類對地貌的改造等因素，位于城市區的活動斷層往往隱伏于地下。查明城市地下隱伏活動斷層的空間展布及其活動性是科學規劃城市建設的基礎，也是開展城市防震減災的有效途徑和主要內容（何正勤等，2001；劉保金等，2002，2012；柴熾章等，2006；李自紅等，2014）。

淺層人工地震勘探具有勘探深度大、分辨率高的特點，廣泛應用于城市活動斷層探測工作中（方盛明等，2002；柴熾章等，2006；鄧起東等，2007；劉保金等，2008；顧勤平等，2013，2015；許漢剛等，2016）。但該方法探測效率較低、成本高，尤其是距地面幾十米范圍內的成像效果差。在第四系松散堆積區，地質雷達探測可對地下0～40 m 范圍內的隱伏活動斷層進行準確定位，并指示斷裂上斷點埋深及標志層的斷距等信息，同時具有探測效率高、成本低、操作簡單、精度和分辨率高等優點（李建軍等，2015；蘇鵬等，2015；張迪等，2016）。因此，聯合淺層人工地震勘探和地質雷達探測，彌補二者的缺點，有望刻畫隱伏活動斷裂在百米至數千米深度范圍內的幾何結構，同時揭示隱伏活動斷裂在淺地表至數十米深度范圍內的定量活動信息（如Lei 等，2022）。

湯東斷裂位于太行山東南麓湯陰地塹內，沿北北東向穿過鶴壁市區，為湯陰地塹和內黃隆起的邊界斷裂（圖1）。本研究以湯東斷裂西支為例，分別選取鶴壁市馮屯村和前交卸村作為探測區，探索淺層人工地震勘探和地質雷達探測相結合的方法在城市隱伏活動斷層探測中的應用，同時研究湯東斷裂西支在探測區的空間展布特征，并推測其最新活動時代，為進一步開展鶴壁地區的地震危險性評價提供依據。

1 地質背景

華北平原屬于華北克拉通的東部塊體（朱日祥等，2012）。自新生代以來，華北平原主要經歷了2 期構造事件。第1 期發生在始新世（50～35 Ma），可能受Izanagi-Pacific 洋中脊俯沖導致的區域應變速率突然降低的影響（Su 等，2021），在華北地區形成了廣泛的東西向伸展事件，伸展范圍從現今的青藏高原東北緣，經山西裂谷、渤海灣盆地，直至歐亞大陸東緣（Wang 等，2013；Fan 等，2019；Su 等，2021）。第2 期構造事件發生于晚中新世至今（8～0 Ma），受青藏高原向東差異擠出的影響，在華北發育的鄂爾多斯塊體、太行山及在華北平原內部的一系列次級斷塊發生了差異的逆時針旋轉運動，塊體接觸帶的變形方式為右旋伸展（圖1（a））（Xu 等，1992；Zhang 等，1998，2018；Su 等，2021）。

鶴壁市位于太行山東麓與華北平原的過渡帶處。在該過渡帶附近，華北區域的地質構造和地球物理場發生了較大的變化，同時該過渡帶是1 條重要的地震構造帶，即河間-磁縣地震構造帶，鶴壁市坐落于此地震構造帶的南端（徐杰等，2015）。鶴壁市主要位于湯陰地塹內，湯陰地塹沉積了巨厚的古近系地層，新近系和第四系地層厚度明顯變小，如圖1（b）所示（劉保金等，2012）。湯陰地塹內主要發育湯東斷裂、湯中斷裂和湯西斷裂，這3 條斷裂的性質均為正斷層，北北東走向，湯東斷裂傾向北西，湯西斷裂和湯中斷裂傾向南東（圖1（b））。湯西斷裂和湯東斷裂長度不同，湯陰地塹南段是由湯東斷裂和湯西斷裂共同控制的地塹構造，而湯陰地塹北段是由湯東斷裂控制的“半地塹”構造（韓慕康等，1980）。

圖1 鶴壁市主要活動斷層分布及區域新生代構造圖Fig. 1 Map of main active faults in Hebi, Henan province and regional Cenozoic tectonics

2 研究方法

2.1 淺層人工地震探測

淺層人工地震勘探是利用地下介質彈性和密度的差異，通過分析地下介質對人工激發地震波的響應，推斷地下巖層性質與形態的地球物理勘探方法（周緒文，1989）。淺層人工地震勘探是探測地下地質構造的有效手段，廣泛應用于城市隱伏活動斷層探測中（方盛明等，2002；柴熾章等，2006；鄧起東等，2007；劉保金等，2008）。

本次淺層人工地震勘探采用的設備包括可控震源車、地震數據采集系統和檢波器及附屬設備。采用激發能量強、重復性好且具有較強抗干擾能力的M18/612HD 型可控震源激發地震波，震源激發頻率為10～250 Hz，可選線性掃描和非線性掃描，最大出力25 t。地震數據采集系統為Geode DZ200 型數字地震儀，采用主頻為60 Hz 的檢波器。儀器采集參數為：采樣間隔0.5 ms，記錄長度2 000 ms。激發震源參數為：掃描頻率10～120 Hz 和8～90 Hz，掃描長度12 s。觀測系統參數為：道間距2 m，炮間距6 m，240 道接收，40 次/30 次覆蓋。為壓制干擾，提高地震資料的信噪比，每道采用3、4 個60 Hz 的檢波器組合。當遇到水渠、河流、危房等障礙物時，對觀測系統進行適當調整，以保證足夠的疊加次數，獲得質量較好的地震記錄，達到探測目的。

在數據處理過程中，采用疊前一維濾波和二維濾波相結合的方法壓制干擾，提高有效反射波的信噪比；采用折射靜校正和剩余靜校正相結合的方法增強有效反射的同相性，提高剖面的信噪比和分辨率；采用疊前反褶積和疊后偏移相結合的方法，提高剖面的縱向和橫向分辨率。利用資料處理獲得的反射波疊加速度數據及地震時間剖面上不同界面反射波的雙程垂直到時，并參考該區的地質鉆孔資料，計算探測剖面地震波的平均速度，并以此作為時深轉換的依據。

2.2 地質雷達探測

地質雷達探測是采用高頻電磁波對地下結構進行探測的地球物理探測技術。地質雷達基于電磁波反射原理，由天線向地下發射高頻電磁波，當電磁波遇到具有電抗性的地質體時會反射回地面，地質雷達會對地下具有電性差異、磁性差異和電介質差異的界面成像（茹瑞典等，1996；Neal，2004；蘇鵬等，2015；張迪等，2016）。

本研究使用的地質雷達儀器包括ProEx 主機、100 MHz 的屏蔽天線、外接計算機、測距輪和皮尺。根據前期利用不同頻率的天線在研究區的測試結果，本次選用100 MHz 的屏蔽天線對湯東斷裂進行探測（蘇鵬等，2021）。利用測距輪控制采樣間隔為0.05 m，采樣頻率為1 000～1 200 MHz，采樣時窗為300～400 ns，每道數據自動疊加16 次。

本研究使用Reflexw 軟件對地質雷達探測數據進行處理，處理流程主要包括去除零點漂移、靜校正切除、能量衰減增益、抽取平均道、巴特沃斯帶通濾波、滑動平均等。最后，基于地質雷達探測數據結果和野外探測場地環境，結合已有研究成果與資料進行綜合分析，做出合理的圖像解釋。本文使用電磁波在松散堆積層中的平均傳播速度（0.1 m/ns）對得到的地質雷達圖像進行時深轉換。

2.3 淺層人工地震和地質雷達聯合探測

本研究首先開展淺層人工地震勘探，確定湯東斷裂的大致位置，在此基礎上進行地質雷達探測，進一步確定了湯東斷裂在淺地表的具體位置、上斷點埋深等信息。

淺層人工地震勘探和地質雷達探測測線位置如圖2 所示。本研究分別選取2 條淺層人工地震勘探測線和2 條地質雷達探測測線，其中淺層人工地震勘探測線AA'位于浚縣馮屯村，起點坐標為（35°34′27.55″N，114°16′29.72″E），終點坐標為（35°34′19.55″N，114°17′21.41″E），全長1 320 m；淺層人工地震勘探測線BB'位于浚縣前交卸村，起點坐標為（35°31′52.70″N，114°15′23.60″E），終點坐標為（35°31′42.40″N，114°16′48.81″E），全長2 174 m；地質雷達探測測線CC'位于浚縣馮屯村，起點坐標為（35°34′21.54″N，114°16′57.83″E），終點坐標為（35°34′18.84″N，114°17′28.10″E），全長791 m；地質雷達探測測線DD'位于浚縣前交卸村，起點坐標為（35°31′48.44″N，114°15′54.60″E），終點坐標為（35°31′41.70″N，114°16′53.95″E），全長1 504 m。

圖2 淺層人工地震勘探測線和地質雷達探測測線位置Fig. 2 Locations of the shallow artificial seismic reflection profiles and Ground Penetration Radar （GPR） profiles

3 結果分析

3.1 淺層人工地震勘探結果

本研究得到的淺層人工地震反射剖面清晰地揭示出湯東斷裂的構造特征。馮屯村淺層人工地震反射剖面AA'基底反射明顯，剖面揭示的反射波均能橫向追蹤，各反射波組同相軸近水平（圖3）。根據反射波組特征，識別出6 組能量較強的地震波反射震相（TQ、T1、T2、T3、T4、TN）。根據該地區已有地質資料，將TQ解譯為第四系地層的底界反射，T1～T4解譯為新近系內部地層的界面反射，TN解譯為新近系地層的底界反射。在該淺層人工地震反射剖面樁號960 m 附近，兩側的反射波組發生了明顯錯動，解譯為1 條斷層，斷層性質為正斷層，傾向西，傾角約為68°。在該斷層西側，地層界面反射波組較豐富，第四系底界面TQ反射波能量較強，同相軸連續性較好，新近系底界面TN埋深較大，說明在新近紀時期湯陰地塹的沉積環境較穩定；在該斷層東側，第四系底界面TQ反射波能量較弱，新近紀地層界面反射波明顯少于斷層西側，新近系底界面TN埋深較小。該處斷層向上錯斷了反射波組TQ，向下錯斷了所有的反射地層，上斷點位于剖面水平位置960 m 處，深度為80～90 m。

圖3 馮屯村淺層人工地震勘探結果Fig. 3 Shallow artificial seismic profile in the Fengtun village

前交卸村淺層人工地震反射剖面信噪比和分辨率較高，斷裂構造特征清晰（圖4）。整個剖面雙程走時800 ms 以下的反射波同相軸連續性差，無法識別出連續的地層反射界面。與馮屯村測線AA'淺層人工地震反射剖面類似，在該剖面西段反射震相較豐富，反射波能量較強，剖面東段反射震相較少，反射波能量一般。前交卸村淺層人工地震反射剖面西段基底較深，雙程走時800 ms 以上的反射波能量較強，同相軸連續性較好，各反射波同相軸近水平。在剖面樁號1 120 m 處，該淺層人工地震反射剖面雙程走時為200～400 ms 的位置，地層有較明顯的錯動，此位置解譯為湯東斷裂西支F3-2，斷層性質為正斷層，視傾向西，傾角為62°～72°，上斷點位于剖面水平位置1 150 m 處，斷層向上錯斷了反射波組TQ，揭示的上斷點埋深為60～70 m。

圖4 前交卸村淺層人工地震勘探結果Fig. 4 Shallow artificial seismic profile in the Qianjiaoxie village

3.2 地質雷達探測結果

馮屯村地質雷達剖面CC'如圖5 所示，在雙程走時150 ns 以上，電磁波反射信號較好，同相軸成層性較明顯；在雙程走時150 ns 以下，電磁波反射信號較差。根據電磁波反射波同相軸特征，本文將淺地表劃分為3 層，識別出2 個地層界面。雙程走時50 ns 附近的反射界面明顯，意味著上、下地層電性有較大差異。雙程走時150 ns 附近也能識別出反射界面，但界面相對模糊，這可能是由地質雷達信號向下傳播時能量衰減所致。在水平位置1 010 m 處，電磁波反射波同相軸發生了較明顯的錯動，認為該位置為湯東斷裂西支經過的位置。結合地質雷達發射電磁波的平均速度，確定湯東斷裂西支在該測線位置的上斷點埋深約為2.5 m。

圖5 馮屯村地質雷達探測結果Fig. 5 Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Fengtun village

前交卸村地質雷達剖面DD'如圖6 所示，在雙程走時160 ns 以上，電磁波反射信號較好，同相軸的成層性較明顯；在雙程走時160 ns 以下，電磁波反射信號較差，出現雜亂反射。前交卸村地質雷達剖面電磁波反射波同相軸特征與馮屯村地質雷達剖面特征基本相似。在剖面上對能量較強的反射波同相軸進行橫向追蹤，未發現反射波同相軸發生明顯錯動，將淺層人工地震反射剖面BB'揭示的上斷點向上延伸（圖4）后，未在相應地質雷達剖面DD'上觀察到斷錯跡象（圖6）。因此，結合地質雷達電磁波的平均速度，本研究認為湯東斷裂西支F3-2 在該剖面位置未造成近地表約10 m 以內的地層斷錯。

圖6 前交卸村地質雷達探測結果Fig. 6 Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Qianjiaoxie village

4 討論

淺層人工地震反射剖面AA'和BB'顯示，湯東斷裂西支F3-2 東、西側地層的橫向變化較大，淺層人工地震反射剖面的有效探測深度為50～1 000 m，可在地震反射剖面中解譯出第四系和新近系地層，斷裂西側地層埋藏深，且沿斷層向上，斷距逐漸減小。在淺層人工地震反射剖面AA'得到的上斷點水平位置為960 m，深度為60～70 m，而在地質雷達剖面CC'得到的上斷點水平位置為1 010 m，深度為2.5 m。在淺層人工地震反射剖面BB'得到的上斷點水平位置為1 120 m，深度為50～60 m，而在地質雷達剖面DD'中未識別出斷層跡象。由此說明，在淺層人工地震勘探的基礎上進一步開展地質雷達探測，可明顯提高對上斷點位置的約束，有利于指導后期城市活動斷層探查中的探槽和鉆孔布設。

鶴壁地區鉆孔資料顯示，湯東斷裂上斷點埋深為23.5～35.8 m，上斷點附近的地層年齡為（225±30） ka～（313±32） ka（劉保金等，2012），由此估算出研究區的平均沉積速率約為0.1 mm/a。馮屯村淺層人工地震反射剖面AA'和地質雷達剖面CC'結果揭示出湯東斷裂西支F3-2 上斷點埋深為2.5 m，推測該斷裂在馮屯村斷錯的最新地層年齡約為25 ka。前交卸村淺層人工地震反射剖面BB'和地質雷達剖面DD'結果揭示出湯東斷裂西支F3-2 上斷點埋深＞10 m，推測該斷裂在前交卸村未斷錯年齡約為100 ka 的地層。

5 結論

本研究綜合了淺層人工地震勘探和地質雷達探測方法，對湯東斷裂西支進行了聯合探測，獲得了湯東斷裂西支在2 個不同觀測點自淺部（數十米至數百米）至超淺部（數米至十多米）范圍內的斷錯地層信息。

（1）淺層人工地震勘探揭示的馮屯村處湯東斷裂西支F3-2 上斷點位置為（35°34′20.42″N，114°17′06.86″E），埋深為60～70 m，地質雷達探測揭示的上斷點埋深約為2.5 m，結合平均沉積速率推測湯東斷裂西支在馮屯村的最新活動時代為25 ka。淺層人工地震勘探揭示的前交卸村處湯東斷裂西支F3-2 上斷點位置為（35°31′47.38″N，114°16′08.71″E），埋深為50～60 m，地質雷達探測揭示出湯東斷裂西支F3-2 在前交卸村處未造成近地表約10 m 以內的地層斷錯。湯東斷裂西支F3-2 在馮屯村和前交卸村的上斷點埋深差別較大，可能反映了該斷裂上一次發生大地震時，形成的地表破裂不連續。

（2）在城市隱伏活動斷層探測中，采用淺層人工地震勘探和地質雷達探測相結合的方法可有效提高勘探效率。首先采用淺層人工地震勘探方法確定斷層的總體走向和分布位置，然后利用地質雷達更精確地約束活動斷層上斷點的埋深。該聯合探測方法可有效指導后期探槽和鉆孔布設，大幅度降低活動斷層探查的成本。但該方法具有不確定性，真實的斷層位置及活動性需通過地質手段驗證。

致謝 中國地震局地質研究所張金玉副研究員和王偉助理研究員在文章修改中提供了幫助，中國地震局地質研究所碩士徐芳和中國海洋大學碩士侯江飛參與了野外數據采集工作，河南省地震局、鶴壁市地震局等單位在本項目實施過程中給予了支持，審稿專家提出了寶貴建議，在此一并表示感謝。